JP2002093177A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2002093177A
JP2002093177A JP2000274369A JP2000274369A JP2002093177A JP 2002093177 A JP2002093177 A JP 2002093177A JP 2000274369 A JP2000274369 A JP 2000274369A JP 2000274369 A JP2000274369 A JP 2000274369A JP 2002093177 A JP2002093177 A JP 2002093177A
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potential
latch
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input
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Tatsuhiro Aida
辰洋 会田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ラッチモード時のデータをフル振幅した状態
で保持してノイズ耐性を向上でき、またラッチモード時
に入力信号が切り替わっても保持ノードの電位を変化さ
せないで安定動作を実現できる半導体装置を提供する。 【解決手段】 ASICなどの半導体装置の入力バッフ
ァなどに用いられ、ラッチ機能内蔵・電流折り返し型の
センスアンプであって、入力信号の電位と基準電位とを
比較して増幅するセンスアンプ部1と、センスアンプ部
1に分離可能に接続され、センスアンプ部1の出力信号
を電源電位または接地電位までのフル振幅状態で保持し
て出力するラッチ部2などから構成され、センスアンプ
モード時(クロック信号CK:“L”)には出力ノード
は電源電位VDD/接地電位VSSの間の中間電位にな
るが、ラッチモード時(クロック信号CK:“H”)に
は出力レベルが電源電位VDD/接地電位VSSまでフ
ル振幅して保持される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置のセン
スアンプ技術に関し、特に高速なLSI間転送を実現す
るための入出力回路において、センスアンプ内にラッチ
回路を内蔵した高速化対応のラッチ機能内蔵型センスア
ンプに好適な半導体装置に適用して有効な技術に関す
る。
【0002】
【従来の技術】たとえば、本発明者が検討した技術とし
て、半導体装置の入出力回路の入力バッファなどには、
入力信号のレベル変化を検知し、このレベル変化を増幅
して内部に供給するためのセンスアンプが設けられてい
る。このようなセンスアンプには、たとえばセンスアン
プ部とラッチ部を分離したタイプや、センスアンプ部に
ラッチ部を内蔵して、出力信号の振幅を中間電位のまま
保持させるタイプなどが用いられている。
【0003】なお、このようなセンスアンプに関する技
術としては、たとえば昭和59年11月30日、オーム
社発行、社団法人電子通信学会編の「LSIハンドブッ
ク」P494〜P495に記載される技術などが挙げら
れる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
なセンスアンプの技術について、本発明者が検討した結
果、以下のようなことが明らかとなった。以下におい
て、本発明の前提として考えられる、センスアンプ部と
ラッチ部を分離したタイプ(図4)、センスアンプ部に
ラッチ部を内蔵したタイプ(図5、図6)の各センスア
ンプの構成および動作を説明する。
【0005】図4に示すセンスアンプは、センスアンプ
部とラッチ部が分離して接続され、センスアンプ部は電
源電位VDDと接地電位VSS間に接続された複数のP
MOSトランジスタTP21〜TP23と複数のNMO
SトランジスタTN21,TN22からなり、ラッチ部
はクロック信号CK,/CK(CKの反転信号)により
それぞれ制御される複数のクロックドインバータCIV
21,CIV22とインバータIV21から構成されて
いる。センスアンプ部の一対の一方のPMOSトランジ
スタTP23に入力信号INが入力され、他方のPMO
SトランジスタTP22に基準電位Vrefが供給さ
れ、クロックドインバータCIV21とインバータIV
21の接続ノードから出力信号OUTが取り出される。
【0006】このセンスアンプは、センスアンプ部とラ
ッチ部が分離されているので、動作の安定性は保たれる
が、ラッチ部にデータが入力されるまで、センスアンプ
部とインバータの2段分のディレイがかかるため、速度
が劣化してセットアップ特性が悪くなることが考えられ
る。
【0007】図5に示すセンスアンプは、センスアンプ
部にラッチ部が内蔵して接続され、電源電位VDDと接
地電位VSS間に接続された複数のPMOSトランジス
タTP31〜TP36と複数のNMOSトランジスタT
N31,TN32から構成されている。PMOSトラン
ジスタTP31,TP34はクロック信号CK,/CK
によりそれぞれ制御され、一対の一方のPMOSトラン
ジスタTP33に入力信号INが入力され、他方のPM
OSトランジスタTP32に基準電位Vrefが供給さ
れ、PMOSトランジスタTP33とNMOSトランジ
スタTN32の接続ノードから出力信号OUTが取り出
される。
【0008】このセンスアンプは、図6のような動作波
形となり、クロック信号CKによりセンスアンプモード
とラッチモードが切り替わり、ラッチモード時も中間電
位のままデータを保持する。しかし、センスアンプ部の
PMOSトランジスタTP32,TP33を介して出力
ノードと保持ノードがつながっているので、ラッチモー
ド時にPMOSトランジスタTP33への入力信号IN
の電位が切り替わると出力信号OUTの電位が変化して
しまい、動作が不安定になることがある。すなわち、こ
のセンスアンプにおいては、保持ノードが中間電位のま
まになるので、ノイズなどの影響でデータが失われる可
能性があり、またラッチモード時に外部からの信号が切
り替わると、保持ノードの電位が変化していまい、動作
が不安定になることが考えられる。
【0009】そこで、本発明の目的は、センスアンプ部
にラッチ部を内蔵したラッチ機能内蔵型センスアンプに
おいて、ラッチモード時のデータをフル振幅した状態で
保持してノイズ耐性を向上させることができ、またラッ
チモード時に入力信号が切り替わっても保持ノードの電
位を変化させないで安定動作を実現することができる半
導体装置を提供するものである。
【0010】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。
【0012】本発明は、ラッチ機能内蔵・電流折り返し
型のセンスアンプを使い、信号を受けるセンスアンプ部
と、このセンスアンプ部に接続されるラッチ部とを分離
可能にして、ラッチモード時のデータをフル振幅した状
態で保持し、またラッチモード時に入力信号が切り替わ
っても保持ノードの電位が変化しないように構成したも
のである。
【0013】すなわち、本発明による半導体装置は、セ
ンスアンプが、入力信号を受け、この入力信号の電位と
基準電位とを比較して増幅するセンスアンプ部と、この
センスアンプ部に分離可能に接続され、センスアンプ部
の出力信号を電源電位または接地電位までのフル振幅状
態で保持して出力するラッチ部とを有するものである。
【0014】前記半導体装置の構成において、センスア
ンプ部は、電源電位と接地電位間に接続された一対のP
MOSトランジスタ、またはNMOSトランジスタを有
し、この一対のPMOSトランジスタ、またはNMOS
トランジスタの一方に入力信号、他方に基準電位がそれ
ぞれ入力されるように構成したものである。
【0015】また、前記半導体装置のラッチ部は、セン
スアンプ部の出力に接続された一対の増幅用MOSトラ
ンジスタと、この一対の増幅用トランジスタに接続され
た一対のラッチ用MOSトランジスタとを有し、一対の
増幅用MOSトランジスタはゲインに対応して所定数に
縦詰め接続されるように構成したものである。
【0016】さらに、前記半導体装置のセンスアンプ部
およびラッチ部は、それぞれクロック信号により制御さ
れるMOSトランジスタを有し、この各MOSトランジ
スタをクロック信号により制御して、センスアンプ部が
動作するセンスアンプモードと、ラッチ部が動作するラ
ッチモードとがそれぞれ設定されるように構成したもの
である。
【0017】よって、前記半導体装置によれば、保持ノ
ードがフル振幅することで、ノイズ耐性が向上し、動作
の安定性向上が期待できる。また、ラッチモード時に外
部の信号変動により保持電位が変動しないため、動作が
安定する。この結果、半導体装置のノイズ耐性向上によ
る動作安定性の向上が可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。
【0019】(実施の形態1)図1は本発明の実施の形
態1の半導体装置におけるセンスアンプを示す回路図、
図2は本実施の形態の半導体装置において、センスアン
プの動作を示す波形図である。
【0020】まず、図1により、本実施の形態の半導体
装置におけるセンスアンプの一例の構成を説明する。本
実施の形態のセンスアンプは、たとえばASIC(Ap
plication Specific Integr
ated Circuit)などの半導体装置の入力バ
ッファなどに用いられ、ラッチ機能内蔵・電流折り返し
型のセンスアンプとされ、入力信号を受け、この入力信
号の電位と基準電位とを比較して増幅するセンスアンプ
部1と、このセンスアンプ部1に分離可能に接続され、
センスアンプ部1の出力信号を電源電位または接地電位
までのフル振幅状態で保持して出力するラッチ部2など
から構成されている。
【0021】センスアンプ部1は、たとえば3個のPM
OSトランジスタTP1〜TP3と、2個のNMOSト
ランジスタTN1,TN2から構成されている。PMO
SトランジスタTP1は、一方が電源電位に接続され、
他方が共通にPMOSトランスタTP2,TP3の一方
に接続されている。各PMOSトランジスタTP2,T
P3の他方はそれぞれ、各NMOSトランジスタTN
1,TN2の一方に接続され、この各NMOSトランジ
スタTN1,TN2の他方は接地電位に接続されてい
る。各PMOSトランジスタTP1〜TP3のゲートに
はそれぞれ、クロック信号CK、基準電位Vref、入
力信号INが入力される。各NMOSトランジスタTN
1,TN2のゲートには共通にクロック信号/CK(C
Kの反転信号)が入力される。
【0022】ラッチ部2は、たとえば2個のPMOSト
ランジスタTP4,TP5と、5個のNMOSトランジ
スタTN3〜TN7から構成されている。各PMOSト
ランジスタTP4,TP5はそれぞれ、一方が電源電位
に接続され、他方が各NMOSトランジスタTN3,T
N4の一方に接続されている。各NMOSトランジスタ
TN3,TN4の他方はそれぞれ、センスアンプ部1の
PMOSトランジスタTP2とNMOSトランジスタT
N1の接続ノード、PMOSトランジスタTP3とNM
OSトランジスタTN2の接続ノードに接続されてい
る。各NMOSトランジスタTN5,TN6はそれぞ
れ、一方がPMOSトランジスタTP4とNMOSトラ
ンジスタTN3の接続ノード、PMOSトランジスタT
P5とNMOSトランジスタTN4の接続ノードに接続
され、他方が共通にNMOSトランジスタTN7の一方
に接続されている。NMOSトランジスタTN7の他方
は、接地電位に接続されている。各PMOSトランジス
タTP4,TP5、各NMOSトランジスタTN3,T
N4のゲートは共通に、PMOSトランジスタTP4と
NMOSトランジスタTN3の接続ノードに接続されて
いる。各NMOSトランジスタTN5,TN6のゲート
は、たすき掛けで各NMOSトランジスタTN6,TN
5の一方に接続されている。NMOSトランジスタTN
7のゲートにはクロック信号CKが入力される。
【0023】以上のように構成されるセンスアンプは、
図示しないが、たとえばASICなどの入出力回路の入
力バッファに用いられ、入力信号のレベル変化を検知
し、このレベル変化を増幅して内部の論理回路などに供
給するような構成となっている。このASICには、入
出力回路、論理回路の他に、PLL回路、RAM、レジ
スタファイルなどが搭載されている。
【0024】次に、本実施の形態の作用について、図2
により、センスアンプの動作を説明する。このセンスア
ンプは、クロック信号CK,/CKにより制御される、
センスアンプ部1のPMOSトランジスタTP1、NM
OSトランジスタTN1,TN2と、ラッチ部2のNM
OSトランジスタTN7のON/OFFによってセンス
アンプモードとラッチモードが切り替わる。クロック信
号CKが“L”レベルの時はセンスアンプモードに設定
され、“H”レベルの時はラッチモードに設定される。
【0025】センスアンプモードにおいては、クロック
信号CKにより制御されるPMOSトランジスタTP
1、クロック信号/CKにより制御されるNMOSトラ
ンジスタTN1,TN2がそれぞれON状態となり、セ
ンスアンプ部1が動作する。このセンスアンプ部1で
は、入力信号INを受け、この入力信号INの電位と基
準電位Vrefとを比較し、電位差に比例した増幅した
出力を得る。このセンスアンプモード時には、出力ノー
ドと保持ノードの“H”レベル/“L”レベルは電源電
位VDDと接地電位VSSの間の中間電位になる。な
お、このセンスアンプモードでは、クロック信号CKに
より制御されるNMOSトランジスタTN7がOFF状
態となるので、ラッチ部2は動作しない。
【0026】ラッチモードにおいては、クロック信号C
Kにより制御されるNMOSトランジスタTN7がON
状態となり、ラッチ部2が動作する。このラッチ部2で
は、センスアンプ部1から増幅した信号を受け、この信
号の電位を電源電位VDDまたは接地電位VSSまで振
り切れるフル振幅状態で保持して出力する。このラッチ
モード時には、出力ノードと保持ノードの“H”レベル
/“L”レベルは電源電位VDDまたは接地電位VSS
のフル振幅の電位になる。なお、このラッチモードで
は、クロック信号CKにより制御されるPMOSトラン
ジスタTP1、クロック信号/CKにより制御されるN
MOSトランジスタTN1,TN2がそれぞれOFF状
態となるので、センスアンプ部1は動作しない。
【0027】また、ラッチモードにおいては、たとえば
センスアンプ部1のPMOSトランジスタTP1に入力
される入力信号INの電位が切り替わっても、センスア
ンプ部1は非動作状態にあり、ラッチ部2とは電気的に
分離されているので、出力信号OUTの電位が変動する
ことはない。
【0028】従って、本実施の形態によれば、入力信号
INを受け、この入力信号INの電位と基準電位Vre
fとを比較して増幅するセンスアンプ部1と、このセン
スアンプ部1の出力信号を電源電位VDDまたは接地電
位VSSまでのフル振幅状態で保持して出力するラッチ
部2とを分離させることにより、動作の安定性を向上さ
せることができる。すなわち、センスアンプモード時に
は出力ノードと保持ノードは電源電位VDD/接地電位
VSSの間の中間電位になるが、ラッチモード時には出
力レベルが電源電位VDD/接地電位VSSまでフル振
幅するため、ノイズ耐性が向上し、またラッチモード時
に入力が切り替わってもレベルが変動せず、動作の安定
性が保たれる。
【0029】また、前述した図4のセンスアンプと比べ
ても、センスアンプ部1とラッチ部2が一体化している
ので、ディレイが小さくできるため、セットアップ特性
は向上でき、フル振幅させた波形が得られるため、安定
性と高速性を満足させることができる。
【0030】なお、本実施の形態のようなセンスアンプ
においては、たとえばラッチ部2のNMOSトランジス
タTN3,TN4を破線で示すように2個など、複数個
に縦詰め接続することにより、ゲインを大きくして小さ
い振幅を広げることができる。
【0031】(実施の形態2)図3は本発明の実施の形
態2の半導体装置におけるセンスアンプを示す回路図で
ある。
【0032】本実施の形態のセンスアンプは、前記実施
の形態1と同様に、たとえばASICなどの半導体装置
の入力バッファなどに用いられ、ラッチ機能内蔵・電流
折り返し型のセンスアンプとされ、前記実施の形態1と
の相違点は、入力信号を受けるトランジスタをPMOS
トランジスタからNMOSトランジスタに代え、それに
伴って型式が反対のトランジスタを用いるようにした点
である。
【0033】すなわち、前記実施の形態1のセンスアン
プは、入力信号がPMOSトランジスタ受けタイプであ
るが、基準電位Vrefのレベルによっては、本実施の
形態のようなNMOSトランジスタ受けタイプの方が安
定している場合がある。一般的に、基準電位Vrefが
電源電位VDDの半分より低い場合はPMOSトランジ
スタ受けタイプを、電源電位VDDの半分より高い場合
はNMOSトランジスタ受けタイプを選択することが望
ましい。
【0034】本実施の形態のセンスアンプは、図3に一
例を示すように、入力信号を受け、この入力信号の電位
と基準電位とを比較して増幅するセンスアンプ部11
と、このセンスアンプ部11に分離可能に接続され、セ
ンスアンプ部11の出力信号を電源電位または接地電位
までのフル振幅状態で保持して出力するラッチ部12な
どから構成されている。
【0035】センスアンプ部11は、たとえば3個のN
MOSトランジスタTN11〜TN13と、2個のPM
OSトランジスタTP11,TP12から構成されてい
る。また、ラッチ部12は、たとえば2個のNMOSト
ランジスタTN14,TN15と、5個のPMOSトラ
ンジスタTP13〜TP17から構成されている。この
センスアンプ部11およびラッチ部12においては、前
記実施の形態1と比べた場合に、トランジスタの型式が
反対ではあるものの、動作原理などはどちらも同じであ
るので、ここでの詳細な説明は省略する。
【0036】従って、本実施の形態によれば、入力信号
を受けるトランジスタをNMOSトランジスタに代えた
ものの、前記実施の形態1と同様にセンスアンプ部11
とラッチ部12とを分離させることにより、センスアン
プモード時には出力ノードと保持ノードは電源電位VD
D/接地電位VSSの間の中間電位になるが、ラッチモ
ード時には出力レベルが電源電位VDD/接地電位VS
Sまでフル振幅するため、ノイズ耐性が向上し、またラ
ッチモード時に入力が切り替わってもレベルが変動しな
いので、動作の安定性を向上させることができる。
【0037】なお、本実施の形態のようなセンスアンプ
においても、前記実施の形態1と同様に、ラッチ部12
のPMOSトランジスタTP13,TP14を破線で示
すように複数個に縦詰め接続することにより、ゲインを
大きくして小さい振幅を広げることができる。
【0038】以上、本発明者によってなされた発明をそ
の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前
記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもな
い。たとえば、本発明はASIC全般、特に高速転送を
目的とするLSIに効果的であるが、さらにメモリの出
力部など、LSI全般に広く適用することができる。
【0039】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。
【0040】(1)信号を受けるセンスアンプ部と、こ
のセンスアンプ部に接続されるラッチ部とを分離可能と
することで、ラッチモード時に保持ノードをフル振幅す
ることができるので、ノイズ耐性を向上させ、動作の安
定性を向上させることが可能となる。
【0041】(2)信号を受けるセンスアンプ部と、こ
のセンスアンプ部に接続されるラッチ部とを分離可能と
することで、ラッチモード時に外部の信号変動により保
持電位が変動しないので、安定動作を実現することが可
能となる。
【0042】(3)センスアンプ部を、一対のPMOS
トランジスタを有するタイプ、または一対のNMOSト
ランジスタを有するタイプにすることで、電源電位に対
する基準電位のレベルに応じてタイプを選択することが
可能となる。
【0043】(4)ラッチ部の増幅用MOSトランジス
タを所定数に縦詰め接続することで、ゲインを大きくし
て振幅を広げることが可能となる。
【0044】(5)前記(1)〜(4)により、特に高
速なLSI間転送を実現するためのASICなどの半導
体装置において、この半導体装置のノイズ耐性の向上に
よる動作安定性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の半導体装置におけるセ
ンスアンプを示す回路図である。
【図2】本発明の実施の形態1の半導体装置において、
センスアンプの動作を示す波形図である。
【図3】本発明の実施の形態2の半導体装置におけるセ
ンスアンプを示す回路図である。
【図4】本発明の前提となる半導体装置におけるセンス
アンプを示す回路図である。
【図5】本発明の前提となる他の半導体装置におけるセ
ンスアンプを示す回路図である。
【図6】本発明の前提となる他の半導体装置におけるセ
ンスアンプの動作を示す波形図である。
【符号の説明】
1,11 センスアンプ部 2,12 ラッチ部 TP1〜TP5,TP11〜TP17,TP21〜TP
23,TP31〜TP36 PMOSトランジスタ TN1〜TN7,TN11〜TN15,TN21,TN
22,TN31,TN32 NMOSトランジスタ CIV21,CIV22 クロックドインバータ IV21 インバータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5B015 HH01 JJ12 KB13 KB22 KB35 MM09 5B024 AA03 AA15 BA09 CA07 5B025 AD05 AD06 AE08 5J056 AA01 AA32 BB32 CC14 DD13 DD28 EE08 FF01 FF08 GG10 KK01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ラッチ機能内蔵・電流折り返し型のセン
    スアンプを備え、 前記センスアンプは、 入力信号を受け、この入力信号の電位と基準電位とを比
    較して増幅するセンスアンプ部と、 前記センスアンプ部に分離可能に接続され、前記センス
    アンプ部の出力信号を電源電位または接地電位までのフ
    ル振幅状態で保持して出力するラッチ部とを有すること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置であって、 前記センスアンプ部は、電源電位と接地電位間に接続さ
    れた一対のPMOSトランジスタを有し、この一対のP
    MOSトランジスタの一方に前記入力信号が入力され、
    他方に前記基準電位が入力されることを特徴とする半導
    体装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の半導体装置であって、 前記センスアンプ部は、電源電位と接地電位間に接続さ
    れた一対のNMOSトランジスタを有し、この一対のN
    MOSトランジスタの一方に前記入力信号が入力され、
    他方に前記基準電位が入力されることを特徴とする半導
    体装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の半導体装置であって、 前記ラッチ部は、前記センスアンプ部の出力に接続され
    た一対の増幅用MOSトランジスタと、この一対の増幅
    用トランジスタに接続された一対のラッチ用MOSトラ
    ンジスタとを有し、前記一対の増幅用MOSトランジス
    タはゲインに対応して所定数に縦詰め接続されることを
    特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項5】 請求項1、2、3または4記載の半導体
    装置であって、 前記センスアンプ部および前記ラッチ部は、それぞれク
    ロック信号により制御されるMOSトランジスタを有
    し、この各MOSトランジスタを前記クロック信号によ
    り制御して、前記センスアンプ部が動作するセンスアン
    プモードと、前記ラッチ部が動作するラッチモードとが
    それぞれ設定されることを特徴とする半導体装置。
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